сической физики факт: энергия колебаний отдельного осциллятора частоты представляет собой дискретную сумму энергий частиц, каждая из которых кратна энергии одного фотона ħω. Другими словами, энергия планковского осциллятора может принимать только дискретные значения. Минимальная энергия фотона получила название кванта энергии. В дальнейшем было установлено, что дискретные значения могут принимать и другие физические величины. Поэтому и область физики, изучающая фотоны и другие частицы больших энергий, стала называться квантовой.

Глава 5.ОПТИКА.

Оптика изучает природу света, законы его распространения и взаимодействие света с веществом. Во второй половине прошлого века благодаря работам Максвелла стало ясно, что свет представляет собой переменное в пространстве и во времени электромагнитное поле, которое распространяется в пустоте со скоростью c =

3 108 м/с. Таким образом, свету присущи все характерные черты электромагнитного излучения. Источниками света, как и вообще электромагнитного излучения, являются заряженные частицы. В процессе распространения света происходит перенос энергии электромагнитного поля, но переноса вещества при этом не происходит. Другими словами, не существует каких-либо особых частиц света, аналогичных стабильным частицам, таким как электрон или протон. Вместе с тем все же в определенных условиях свет ведет себя как поток электромагнитных частиц — фотонов. Но фотоны в отличие от стабильных частиц не обладают массой покоя, их масса вся заключена в переносимой фотонами электромагнитной энергии.

Узкая область спектра электромагнитных волн с длинами волн порядка 0,1 мкм, воспринимаемая человеческим глазом, называется видимым светом. В широком смысле слова светом иногда называют электромагнитные волны в диапазоне длин волн от ближнего

инфракрасного до рентгеновского и γ-квантов включительно. Принципиального различия между электромагнитными волнами этих диапазонов нет, и они отличаются друг от друга только по

98

характеру их взаимодействия с веществом. Благодаря тому что природа снабдила человека таким совершенным и чувствительным устройством, как человеческий глаз, способным реагировать на ничтожно малые количества энергии, переносимой электромагнитными волнами с длинами волн порядка 0,1 мкм, область видимого света занимает в шкале электромагнитных волн исключительное место. Вместе с тем все физические свойства видимого света возникают как следствие его электромагнитной природы.

Из всех физических явлений, непосредственно окружающих человека, распространение света является наиболее удивительным. В самом деле, хотя свет представляет собой электромагнитную волну, в естественных условиях волновой характер распространения света практически никак не проявляется. Обычно мы наблюдаем лучи света, идущие от источника, что указывает на прямолинейный характер распространения света. Похоже, что свет движется точно так же, как движутся частицы в механике — по траектории, и на первый взгляд это движение не имеет ничего общего с волновой природой света. В действительности луч вовсе не является траекторией света, а представляет собой результат наложения бесчисленного множества световых волн, распространяющихся от источника света. Обнаружение волновой природы света и объяснение на ее основе прямолинейного характера распространения света явилось замечательным достижением физики XIX века и произошло благодаря усилиям выдающихся физиков того времени

— Юнга, Френеля, Араго, Малюса и многих других. Прямолинейное распространение света реализуется в обычно

наблюдаемой ситуации, когда длина световой волны мала по сравнению с размерами какого-либо рассматриваемого участка волнового фронта. При этом условии волновой характер света практически не проявляется, и можно рассматривать только лучи света, то есть потоки световой энергии, распространяющиеся в однородной среде по кратчайшему расстоянию — вдоль прямых линий. Область оптики, которая рассматривает прохождение и преобразование световых лучей в различных средах, отвлекаясь от волновой природы света, называется геометрической или лучевой опти-

кой. Законы геометрической оптики используются при создании

99

оптических устройств различного рода, в которых входное отверстие или используемая область волнового фронта световой волны велики по сравнению с длиной волны падающего света: микроскопов и телескопов, объективов фотоаппаратов, осветительных установок — от элементарных настольных ламп до прожекторных установок. Новое применение получила геометрическая оптика в связи с созданием лазерных лучей.

При размерах отверстия или преграды, стоящей на пути распространения света, сколько-нибудь сравнимых с длиной волны света, начинают наблюдаться отклонения от законов геометрической оптики. Другими словами, если размеры объектов, на которых рассеивается свет, оказываются порядка длины волны, становятся заметными явления, обусловленные волновой природой света. Существо этих явлений заключается во взаимном влиянии световых волн друг на друга, что приводит к необычному перераспределению освещенности в пространстве при отражении света от преград. Это довольно тонкие явления, и необходимы специальные физические устройства для того, чтобы их увидеть и изучить. Исследованием такого рода явлений занимается волновая оптика. Волновая оптика имеет свои законы, которые позволяют, с одной стороны, глубже проникнуть в природу света, а, с другой, создать целый ряд устройств и приборов для исследования более тонких свойств вещества.

Наконец, существует раздел оптики, изучающий взаимодействие света с веществом, — физическая оптика. Поскольку свет представляет собой электромагнитную волну, то при прохождении света в веществе возникает взаимодействие заряженных частиц среды с электрическим и магнитным полем световой волны. Этот механизм лежит в основе огромного числа физических явлений, позволяющих изучать как свойства вещества, так и свойства самого света. Изучение взаимодействия света с веществом позволило проникнуть в структуру атомов и молекул, понять, как происходит излучение света, и привело к созданию квантовой физики — науки, в которой используются представления о дискретных свойствах материи.

Наиболее простыми являются законы геометрической оптики,

100